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Gute Spermien, schlechte Spermien

Schneller oder stärker? Welche Samenzelle schafft es zur Eizelle? Jetzt rückt erstmals ihr Stoffwechsel in den Fokus der Forschung.

Es ist ein Wettkampf mit Millionen von Teilnehmern. Nur eine der vielen Samenzellen schafft es am Ende und befruchtet die Eizelle. Doch was hat sie, was andere nicht haben?
Es ist ein Wettkampf mit Millionen von Teilnehmern. Nur eine der vielen Samenzellen schafft es am Ende und befruchtet die Eizelle. Doch was hat sie, was andere nicht haben? © 123rf

Es gleicht einem Langstreckenschwimmen. Bis zu 600 Millionen Teilnehmer sind beim Wettkampf dabei. So viele Samenzellen machen sich nach dem Geschlechtsakt im weiblichen Körper auf den Weg zum Ziel: der Eizelle. Nur ein paar tausendstel Millimeter ist so ein Spermium klein, die Strecke bis zur Eizelle aber rund 20 Zentimeter lang. Übertragen auf den Menschen wären das fast sechs Kilometer, die er schwimmend zurücklegen müsste. Was also macht einen guten Schwimmer aus? Welche Eigenschaften muss eine Samenzelle haben, die sie am Ende zum Gewinner macht? In Dresden gehen Wissenschaftler genau dieser Frage nach und schauen sich den Stoffwechsel der Spermien genauer an.

Es sind Forschungsergebnisse, die in Zukunft vielen Menschen helfen sollen. Jedes zehnte Paar weltweit ist ungewollt kinderlos. Laut aktuellen Schätzungen sind zehn Prozent der Menschen von Unfruchtbarkeit betroffen. Das sind fast so viele wie Diabetes-Kranke. Einigen Paaren kann heutzutage durch eine künstliche Befruchtung geholfen werden. Dafür wird seit Jahrzehnten die sogenannte Swim-up-Methode eingesetzt, mit der die schnellsten Spermien herausgefiltert werden können. Dafür wird der Samen des Mannes auf ein flüssiges Nährmedium gesetzt. Nur gesunde und bewegliche Spermienzellen können es durchdringen, wandern nach oben und werden dort entnommen. In der unteren Schicht verbleiben Spermien mit geringer oder keiner Beweglichkeit. Die Gründe für die unterschiedlichen Spermienqualitäten sind nicht restlos geklärt.

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„Wir wissen es einfach nicht exakt.“

Bisher schauten sich Wissenschaftler vor allem die äußeren Merkmale von Samenzellen an, um ihre Qualität zu beurteilen. Wird der Samen des Mannes in einem sogenannten Spermiogramm untersucht, geht es um die Anzahl der Schwimmer, wie schnell sie sind und ob sie normal aussehen. „Das klärt aber nicht die Frage, warum manche schneller als andere sind und manche nicht“, sagt Veronika Magdanz. Postdoktorandin an der Professur für Angewandte Zoologie der TU Dresden. Ob es wirklich die schnellste Spermie ist, die am Ende auch die Eizelle befruchtet, ist ebenfalls nicht hundertprozentig klar. „Wir wissen es einfach nicht exakt.“

Gemeinsam mit anderen Biologen der TU Dresden geht sie deshalb der Frage nach, welche Eigenschaften über die äußeren Merkmale hinaus noch eine Rolle bei dieser Frage spielen könnten. Dafür rückten sie den Stoffwechsel der Zellen in den Mittelpunkt. Für eine Studie schauten sie sich die Swim-up-Methode mit Rinderspermien an. Sie betrachteten die Samenzellen der oberen und unteren Schicht hinsichtlich ihrer Stoffwechselrate, ihrer Beweglichkeit sowie der Geißellänge. Die Ergebnisse zeigen, dass es Zusammenhänge gibt: Die durch Swim-up ausgewählten schnelleren Spermien zeigen höhere Stoffwechselraten und längere Antriebsgeißeln als die nicht selektierte Zellen.

Eine Spermie betreibt Stoffwechsel über zwei Wege. Zum einen über die Zellatmung, die wichtig für die Energiegewinnung ist. Die braucht die Samenzelle vor allem für den Geißelschlag, mit dessen Hilfe sie sich bewegt. „Bis zu 80 Prozent der Energie werden für die Bewegung gebraucht“, sagt Veronika Magdanz, Leiterin der Studie. Zum anderen erfolgt der Stoffwechsel über die Glykolyse, wobei Glukose umgesetzt wird. Diese Spaltung von Traubenzucker liefert ebenfalls Energie. „Spermien können zwischen diesen beiden Stoffwechselwegen wählen“, sagt die Forscherin. Noch ist allerdings unklar, in welcher Situation, sie welche Art nutzen.

Die schnelleren Spermien betreiben also mehr Stoffwechsel als andere. Die Ergebnisse der Untersuchung liefern damit erstmals eine neue Erklärung dafür, warum bei der Swim-up Methode Spermien ausgewählt werden, die scheinbar funktionell überlegen sind. „Es ist aber nicht einfach so, dass diese Spermien mehr Stoffwechsel betreiben“, sagt die Biologin. „Die gespeicherte Energie ist in den ausgewählten Spermien auch geringer, was zeigt, dass sie mehr Energiereserven verbrauchen.“ Damit tun sich neue Fragen auf: Sind diese Spermien dann wirklich die, die für das Langstreckenschwimmen bis zur Eizelle am besten geeignet sind? Den Stoffwechsel der bei der Swim-up-Methode ausgewählten Spermien besser zu verstehen, ist aber auch aus anderem Grund wichtig. Bestimmte Stoffwechselwege können negative Auswirkungen auf die Spermien haben. „Beispielsweise entstehen bei der Zellatmung schädliche Sauerstoffradikale, die das Erbgut und die Zellfunktionen der Spermien beeinträchtigen.“ Eignen sich diese Samenzellen dann noch für die künstliche Befruchtung?

Die Wissenschaftler wollen ihre Erkenntnisse nun auch auf andere Arten anwenden. Bisher wurde nur mit Rinderspermien geforscht. „Diese Ergebnisse lassen sich zum Beispiel nicht eins zu eins auf den Menschen übertragen“, erklärt Veronika Magdanz. Sie sieht in der weiteren Erforschung des Stoffwechsels von Spermien in Zukunft Chancen für die künstliche Befruchtung. Es ermöglicht ein umfassenderes Bild über die Qualität der Samenzellen. Damit könnte auch der Befruchtungserfolg besser vorausgesagt werden. Bei der Invitro-Fertilisation, der gängigsten Methode der künstlichen Befruchtung im Reagenzglas, liegt die Schwangerschaftsrate heute bei 25 Prozent. Die neuen Ergebnisse zum Stoffwechsel könnten in Zukunft Auswirkungen auf die Wahl des Nährmediums haben, in dem sich die Spermien vor der künstlichen Befruchtung befinden. Je nach Beurteilung der Stoffwechselrate könnten verschiedene Substrate eingesetzt werden, die die Eigenschaften verbessern.

Veronika Magdanz ist aber auch einer anderen Möglichkeit der Hilfe bei einer künstlichen Befruchtung auf der Spur. Mit anderen Wissenschaftlern beschäftigt sie sich am Dresdner Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) mit Mikrotransportmitteln. Samenzellen werden dabei in spiralförmige Polymere, ähnlich einer winzigen Metallfeder, manövriert, die mit einer magnetischen Schicht überzogen sind. Ist die Spermie erst einmal in der Spirale gefangen, lässt sich das Mini-Fahrzeug mit Hilfe eines Magnetfelds von außen zielgerichtet zur Eizelle transportieren. „Auch da laufen die Forschungen weiter“, sagt Veronika Magdanz. Eben damit die Schwimmer gut gerüstet sind für die lange Strecke zum Ziel, an dem das Leben beginnt.

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